回水温度对燃气热水锅炉烟气冷凝的影响及解决措施

崔 琦 郑桂红 袁棨正 许崇涛 李冬屹

(天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192)

回水温度对燃气热水锅炉烟气冷凝的影响及解决措施

崔 琦 郑桂红 袁棨正 许崇涛 李冬屹

(天津市特种设备监督检验技术研究院 天津 300192)

本文阐述了燃气冷凝式热水锅炉的冷凝水对锅炉本体的危害，并探讨了解决此问题的方法。通过对烟气露点温度的计算，推算烟气冷凝时的锅炉回水温度。当回水温度低于烟气冷凝时所对应的回水温度时，烟气中的水蒸气将会在锅炉本体凝结。本文提出四种提高锅炉回水温度的措施，以降低烟气在锅炉本体冷凝的概率，减少冷凝水对锅炉本体的损害。

燃气锅炉 冷凝水 露点温度 回水温度

随着国家对环境保护工作及锅炉节能降耗的重视与发展,传统燃煤热水锅炉由于其存在热效率低、污染严重等问题被逐步淘汰,天然气作为清洁能源现已得到了广泛的应用。各地区相继改用燃气锅炉,为了能更好地利用能源,提高锅炉的效率,冷凝式燃气热水锅炉在近几年得到了大力的推广。例如天津,市内六区已完成“煤改燃”工程,供热已全部采用燃气锅炉,其中80%以上均为冷凝式燃气锅炉。

近几年由于城市集中供热的需求,14MW以上的大型冷凝式燃气热水锅炉的需求量大大增加。但原燃气热水锅炉多为7MW以下,我国大型冷凝式燃气热水锅炉的研究还处于起步阶段,从设计、制造到使用都没有太多的经验,因此在运行过程中会存在一些问题,其中比较突出的是冷凝水对锅炉本体的损害。

冷凝式燃气热水锅炉的烟气冷凝一般被设计在锅炉节能器位置,这是由于锅炉本体材质与节能器材质不同,节能器在设计时多采用09CrCuSb,材质有很强的抗腐蚀能力,而锅炉本体设计时未考虑冷凝水对本体的影响,材质多为20G,抗腐蚀能力较差,长期与冷凝水接触易产生腐蚀,因此在锅炉实际运行中应尽量避免烟气中水分在锅炉本体内凝结。

1 烟气露点温度

1.1 烟气的组成成分

烟气露点指烟气中水蒸气开始凝结时的温度,当水蒸气在低于露点温度时即冷凝成水。天然气燃烧后产生的产物主要为CO2和H2O,基本不含有SO2等酸性气体,因此在计算烟气露点温度时可以不考虑酸性气体的影响［1］。

表1 是天津天然气成分及含量,从表1中可以看出CH4含量占到了95%以上,为简化计算过程,假定天然气成分全部为CH4,燃烧所用的空气为干空气,燃烧方程式:

由式(1)可知,天然气燃烧后成分为CO2和H2O。因此,燃气热水锅炉燃烧完成后的烟气主要成分为CO2、H2O、O2和N2(其中O2和N2来源于过量空气)。

表1 天然气成分及含量

1.2 烟气露点温度的计算

烟气的露点温度是由烟气中水蒸气的分压决定的,而烟气各组分的分压由各组分的浓度大小决定,因此不同过量空气系数下的露点温度是不同的。根据《锅炉节能技术监督管理规程》规定,正压燃气锅炉设计时过量空气系数不大于1.15,在实际使用过程中由于锅炉负荷低、设备老化、管理不到位等原因,锅炉的过量空气系数在1.0～1.5范围内。

分别取过量空气系数α=1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5,计算1m3天然气完全燃烧后的烟气各成分含量,结果见表2。

表2 1m3天然气完全燃烧后的烟气各成分含量

湿烟气的含湿量:

式中:

d —— 湿烟气的含湿量,g(水蒸气)/kg(干烟气);

nv—— 水蒸气的摩尔数;

ngy—— 干烟气的摩尔数;

Vv—— 水蒸气的体积;

Vgy—— 干烟气的体积;

Mv—— 水蒸气的摩尔质量,Mv=18.016g/mol;

Mgy—— 干烟气的摩尔质量。

干烟气的摩尔质量:

式中:

xi、Mi和Vi—— 干烟气中某气体的摩尔分数、摩尔质量和体积。

由表2中的数据,可计算出不同过量空气系数下湿烟气的含湿量,进而通过焓湿图查得露点温度td,结果汇总于表3。

表3 不同过量空气系数对应的露点温度

2 烟气冷凝时回水温度的确定

2.1 冷凝水的形成过程

冷凝水的形成不只取决于露点温度,还与燃气气流截面的温度分布有关。以最常见的三回程卧式内燃锅炉为例,锅炉本体内烟气温度最低位置位于烟气三回程烟管内,烟气流经烟管,烟气的芯流温度最高,壁面温度最低,当壁面温度高于露点时,无冷凝水产生,当壁面温度低于露点而芯流温度高于露点时,部分水蒸气冷凝,当芯流温度低于露点时,气流截面均出现冷凝［2］。影响烟管壁面温度的主要因素有锅炉进水温度、进水流量、锅炉结构、烟气温度、烟气流速等。而在实际运行中,只有锅炉的回水温度可通过简单调整进行改变,其他因素则需要锅炉制造厂家或燃烧器厂家通过改造等才可进行调整,改造周期长费用高,且影响锅炉的正常使用。因此,现只研究锅炉回水温度对锅炉本体冷凝水产生的影响。

2.2 回水温度的计算示例

以一台型号为WNS14-1.25/115/70-Q的燃气热水锅炉为例,根据《锅炉节能技术监督管理规程》中相关规定,取出口烟温170℃,过量空气系数α=1.15。

烟管外径do=71mm,内径di=68mm

烟管导热系数λ=60W/(m·K)

烟管内对流传热系数hi=61.22W/(m2·K)

传热系数k =55.10W/(m2·K)

取三回程烟管出口处一小段长为l的烟管进行分析,假定传热过程稳态,忽略烟管内外侧由于结垢和积灰产生的污垢热阻,由串联热阻叠加原则得:

式(4)左侧为传热过程的总热阻,右侧分别为管内、管壁和管外三个传热环节的热阻。由Ao=πdol,Ai=πdil,上式可改写为:

将相关数据代入式(5)得到:

α=1.15时,ho=918W/(m2·K)

当烟管内壁温度twi＜td时,冷凝水开始在烟管内析出,取twi=td,由稳态传热过程中各处的热流密度相同可得:

将相关数据代入式(6)得到:

α=1.15时,t=46.1℃。

通过计算,当回水温度大于46.1℃时,烟温最低位置三回程处烟管的烟气侧壁温高于此条件下的露点温度,烟管内不易形成冷凝水,而锅炉本体内其他位置烟温均高于此处,基本不会产生冷凝水。

通过对其他炉型燃气锅炉的换热计算,笔者总结出当锅炉正常运行时,烟气开始冷凝时的回水温度t在40～48℃之间,当回水温度高于55℃时,大部分炉型本体内均不会产生冷凝水。

3 实际工况下的讨论

通过对多家供暖单位进行数据采集,2016年天津供暖期间的燃气热水锅炉月平均供回水温度与环境温度见表4。

表4 供热热水锅炉相关运行数据

当锅炉在启、停炉及低负荷运行时,锅炉的排烟温度低于正常运行时的排烟温度。随着排烟温度的降低,烟气物性发生变化,导致ho逐渐增大。由式(6)可知,当ho增大后,t也会随之提高。即如果使锅炉内不产生烟气的冷凝,启、停炉及低负荷运行时的回水温度要高于正常运行时回水温度。

由表4可以看出,大部分燃气锅炉在正常运行过程中的回水温度基本高于冷凝水凝结时的回水温度。但在锅炉低负荷运行及启停炉期间,实际回水温度均低于锅炉正常运行时冷凝水凝结对应的回水温度,使冷凝水在锅炉内大量凝结,对锅炉本体造成巨大损害(见图1)。而大部分锅炉使用单位由于经济原因及供热面积等因素,锅炉长期处于低负荷运行状态,由此产生的冷凝水造成锅炉受热面的腐蚀、烟气流通截面积减小、炉膛温度降低、损害燃烧器、破坏保温密封材料、热量损失、浪费水资源等问题［3］。

图1 某锅炉冷凝水溢出实例

综上所述,锅炉高负荷正常运行时,冷凝水一般不会在锅炉内凝结,如要解决锅炉冷凝水在锅炉内凝结,最简单、直接的方法是解决锅炉在低负荷运行和启停炉时回水温度过低的问题。

4 解决措施

4.1 在供回水管路间加装混水调节管路

在供回水管路中加装带电动调节阀的管路,根据锅炉回水温度来控制电动阀的开度。［4］当锅炉实际回水温度高于冷凝水凝结时回水温度时,电动阀关闭;当实际回水温度低于冷凝水凝结时回水温度时,电动阀根据回水温度调节开度,通过高温供水与低温回水一定比例混合来提升锅炉回水温度,使锅炉回水温度高于冷凝水凝结时的回水温度。

4.2 在回水管路引入外部加热装置

可将锅炉回水与地源热泵、溴化锂直燃机等外部热源设备进行换热,来达到提高回水温度的目的。需要注意的是,此种改造应在回水进入循环泵之前完成,并应采用板式换热器来进行换热,目的是为了不影响锅炉原有回水的水质及锅炉的回水压力及流量。

4.3 提高锅炉循环流量减小供回水温差

在使用二次网供热的系统中,可以加大一次网(锅炉系统)的循环流量,使在相同的热量交换情况下,一次网供回水温度的温差减小,在供水温度不变的情况下来达到提高回水温度的目的。

4.4 提高锅炉负荷

在供暖单位中,常见多台锅炉低负荷并联运行。应根据实际情况,合理调整锅炉运行台数,使锅炉尽量在设计负荷的80%～90%下运行,这样既能达到节能降耗的目的也可以提高锅炉回水温度从而避免冷凝水在锅炉本体内凝结。

5 结束语

随着节能减排工作的深入,带有冷凝器的燃气热水锅炉的应用会越来越广泛,冷凝水对锅炉本体的危害不容忽视,如何解决和利用冷凝水的问题已经被广泛地关注和研究,本文仅提出几点意见和建议。需要注意的是在通过改造等方法解决冷凝水问题的同时,不能忽略锅炉安全运行及相应法律法规的要求,应采取合理、合规、安全、有效的方式来解决冷凝水所带来的问题。

［1］ 叶勇军．冷凝式燃气锅炉的节能与环保特性研究［D］．衡阳：南华大学，2 005．

［2］ 梁耀东，李之光，刘峰，等．冷凝燃气锅炉评价与热效率计算 ［J］．工业锅炉，2015，（04）：36-41．

［3］ 崔琦，许崇涛，阚柏平，等．燃气工业锅炉冷凝水的生成、危害及防治措施［J］．工业锅炉，2015，（05）：51-54．

［4］ 何多强，代龙，辛颖慧．燃气热水锅炉低温腐蚀的防治与节能改造技术探讨［J］．工业锅炉，2008，（05）：43-46．

The Effect and Solving Measures of Return Water Temperature on Flue Gas Condensation of Gas- fi red Hot Water Boiler

Cui Qi Zheng Guihong Yuan Qizheng Xu Chongtao Li Dongyi
(Tianjin Special Equipment Inspection Institute Tianjin 300192)

This paper expounds the harm of fl ue gas condensate of the gas- fi red hot water boiler to the boiler body, and discusses the method to solve this problem. Through the calculation of dew point temperature of fl ue gas, the temperature of the return water can be calculated. When the actual return water temperature is lower, the water vapour in fl ue gas will condense. This paper puts forward four measures to increase the temperature of return water, reduce the probability of fl ue-gas condensation in the boiler, and reduce the damage to the boiler body.

Gas- fi red boiler Condensate Dew point temperature Return water temperature

X933.2

：B

1673-257X(2017)07-0038-04

10.3969/j.issn.1673-257X.2017.07.009

崔琦（1984～)，男，硕士，锅炉检验师，从事锅炉检验、节能减排等工作。

崔琦，E-mail： cqdlut@126．com。

2017-04-17）